趙莊區塊松軟低滲煤層煤層氣低產機理研究

季長江，信 凱，楊昌永，常會珍，田慶玲，賈晉生

（1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城048000；2.河南理工大學，河南 焦作454000；3.易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司，山西 晉城048000；4.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城048000）

我國在成煤環境過程中，煤體結構受構造運動影響顯著，松軟低滲煤層普遍發育。導致煤層滲透率多數介于0.1～0.001×10-3μm2間[1]，嚴重制約了我國煤層氣開發效率。影響煤層氣產能的主要因素可大致分為地質構造[2-4]、儲層物性[5-6]、工程施工[7-8]等幾類。而地質構造和儲層物性條件是煤層氣開發的先決性、基礎性條件。目前，已有學者開展了相關研究。王勃等分析了構造在提高生氣能力，改善物性和煤層氣富集等方面的作用[9]。康永尚等從煤體結構、宏觀裂隙、割理/裂隙系統充填狀況等方面，分析了我國煤儲層滲透率的影響因素[10]。許耀波等探討了孔隙結構特征、臨儲比、含氣飽和度和力學性質等儲層物性對趙莊井田煤層氣產出特征的影響[11]。降文萍等探究了構造煤的孔隙系統對煤層氣儲集、運移的影響[12]。沁水盆地南部趙莊區塊3 號煤層雖為無煙煤，但其受構造影響顯著，煤層頂底部煤體結構較為破碎，屬典型的松軟低滲煤層，區塊內煤層氣井產量顯著低于臨近區塊的煤層氣井。因此，針對該區塊3 號煤層，從微觀尺度深入研究煤層氣低產的機理，為松軟低滲儲層煤層氣開發及低產井改造提供依據和指導。

1 研究區概況

趙莊區塊地處山西省高平市北12 km 處，地層總體走向北北東，傾向北西，傾角5°～10°，區塊整體形態上為一正斷層和陷落柱發育的單斜構造，并在此基礎上發育了一系列北北東向的寬緩褶曲。區塊內主要發育3 號、15 號煤層，但多數煤層氣井主要開采3 號煤層。3 號煤層厚度一般在5 m 左右，煤層瓦斯含量一般在10～16 m3/t，西北部瓦斯含量較高。3 號煤軟煤分層較為發育，局部由上到下呈現出軟-硬-軟的3 層結構，軟分層厚度在0.2～0.3 m 左右。

2 煤層孔隙發育特征

2.1 煤儲層孔徑分布特征

煤層氣作為一種典型的自生自儲型氣藏，孔隙是煤層氣的主要儲集場所，宏觀裂隙是煤層氣的運移通道，顯微裂隙則是溝通孔隙與宏觀裂隙的橋梁與中間通道，其中宏觀裂隙與顯微裂隙對滲透率影響最大[13]。采用液氮法對趙莊3 號煤層的孔隙發育情況進行測試。依據常用的煤儲層孔隙分類方法，孔隙可分為4 大類：大孔（孔徑＞1 000 nm）、中孔（孔徑100～1 000 nm）、過渡孔或小孔（孔徑10～100 nm）和微孔（孔徑＜10 nm）[14]。趙莊3 號煤層孔隙度測試結果見表1，煤樣孔容比和比表面積比情況如圖1，煤樣孔徑分布圖如圖2。

表1 3 號煤層孔隙度測試結果Table 1 Porosity test results of No.3 coal seam

圖1 煤樣孔容比和比表面積比情況Fig.1 Pore volume ratio and specific surface area ratio of coal samples

由圖1、圖2 及表1 可知，3 號煤孔隙的孔徑集中在30～80 nm，大于100 nm 的中孔也占了較大的部分，對煤樣總孔容的貢獻僅次于小孔。在孔徑80～125 nm 間，孔體積隨孔徑增大而急劇上升，表明煤樣中該孔徑分布極不均勻。因此，3 號煤孔隙以中孔、小孔為主，儲層吸附能力強，氣含量高，且絕大多數為吸附孔中的吸附氣，少量含有一定的游離氣。

2.2 孔隙類型

圖2 煤樣孔徑分布圖Fig.2 Pore size distribution of coal samples

依據吸附和凝聚理論，液氮在煤的吸附中常會出現吸附線與脫附線分離現象，從而形成吸附回線。煤的孔隙大小與形狀不同，造成液氮低溫吸附曲線形狀差異性較大。因此，煤的吸附回線特征不僅可以反映儲層的吸附解吸性，還可以用以分析孔隙形態的發育情況。趙莊3 號煤層煤樣液氮吸附解吸曲線如圖3。相對壓力為氮氣分壓與液氮溫度下氮氣的飽和蒸氣壓之比。

圖3 煤樣液氮吸附解吸曲線Fig.3 Liquid nitrogen adsorption-desorption curves of coal samples

依據前人對吸附解吸曲線的研究成果，結合de Boer 對滯后環形態的分類方法[15]，實驗結果分析如下：趙莊3 號煤層具有吸附回線，說明在該煤中存在一定數量的不透氣型Ⅱ類孔[16]，如一端封閉的圓筒形孔、一端封閉的平行板狀孔、一端封閉的楔形孔以及一端封閉的錐形孔。低壓區吸附線平穩上升，說明開放孔的直徑較小。在相對壓力為0.8 以后，吸附線顯著上升，超過0.9 后吸附量急劇增加，發生顯著的毛細凝聚現象，孔隙直徑較大。在解吸時，壓力稍微下降，解吸量急劇增加，毛細蒸發明顯，進一步說明大量存在直徑較大的開放型板狀孔、圓筒狀孔。隨后壓力降低，解吸量也緩慢下降，當相對壓力降到0.5 時，解吸量突然下降，說明煤中也發育一定程度的“墨水瓶”狀孔。

所以，趙莊3 號煤中孔隙系統復雜，絕大多數為開放型孔，少量發育不透氣性Ⅱ類孔和瓶狀孔，且開放型孔所占比例較高。

2.3 煤儲顯微特征掃描

為進一步更深入、直觀地分析趙莊3 號煤層孔隙、裂隙系統特征，借助掃描電鏡對樣品微觀孔、裂隙進行觀察，煤層孔裂隙發育情況如圖4。

圖4 煤層孔裂隙發育情況Fig.4 Pore-fracture system development of coal seam

趙莊3 號煤層孔隙與微裂隙系統較為發育。中、小孔隙較為密集，中孔以上的孔也分布較多。微裂隙相對較寬，延伸距離較遠，但裂隙密度小，不利于眾多孔隙的溝通和氣體的運移產出。

3 煤樣礦物成分差異性

煤層氣產能不僅受微觀孔隙、裂隙系統發育情況影響，還與煤層礦物組分有很大關系。由掃描電鏡觀察結果可以看出，趙莊3 號煤層孔隙和裂隙中均有一定程度的礦物填充，不僅降低了煤層孔隙間的連通性，造成原始滲透率下降。同時，若孔隙內充填的礦物為水敏性黏土礦物，還可能引起煤層發生不同程度的水敏感性，從而降低煤層后期水力壓裂的改造效果。因此，采用D8 DWASCOVER 型X 射線衍射儀，對煤層的黏土礦物成分進行測試，3 號煤層黏土礦物成分測試結果見表2。

表2 3 號煤層黏土礦物成分測試結果Table 2 Test results of clay mineral composition in No.3 coal seam

由全巖定量分析測試結果得出，煤樣的主要礦物成分是黏土礦物，而黏土礦物成分全部為銨伊利石/蒙皂石間層，伊蒙混層中蒙皂石層的含量為30%，未見高嶺石和伊利石。

在常見黏土礦物中，膨脹能力最強的為蒙皂石，伊利石/蒙皂石和綠泥石/蒙皂石間層礦物次之，綠泥石的膨脹力較弱，伊利石很弱，而高嶺石則無膨脹性。儲層中蒙皂石（尤其是鈉蒙皂石）含量越多，則水敏強度越大[17]。趙莊3 號煤層中全部為銨伊利石/蒙皂石間層，這種礦物具有較強的水敏性。所以，綜合判斷趙莊3 號煤層水敏性強，給水力壓裂改造帶來不利影響。

4 水敏性實驗評價

采用LSY-IA 型壓裂液傷害儀，進行水敏性傷害實驗。實驗介質分別為1 000、500 mg/L 濃度的氯化鉀（KCl）溶液和蒸餾水，采用恒壓方式，持續注入，3 號煤層水敏性實驗參數見表3。不同介質水敏性測試結果如圖5。

測試結果顯示，在相同的注入壓力和圍壓條件下，趙莊3 號煤樣的滲透率隨著KCl 濃度的降低，下降顯著，降幅在30%以上。因此，趙莊3 號煤層的水敏性明顯，很大程度上影響煤層氣井的產能。

表3 3 號煤層水敏性實驗參數Table 3 Experimental parameters of water sensitivity for No.3 coal seam

圖5 不同介質水敏性測試結果Fig.5 Test results of water sensitivity in different mediums

5 結 論

1）趙莊3 號煤多數孔隙直徑集中在30～80 nm，大于100 nm 的中孔含量也較多。孔隙絕大多數為開放型孔，少量發育不透氣性Ⅱ類孔和瓶狀孔，儲層吸附能力強，氣含量高。大量中孔、開放型孔的存在可能造成煤層氣井見氣速率快，但產氣量也下降迅速，難以穩產，這與趙莊井田絕大多數煤層氣井的實際生產曲線相符。

2）趙莊3 號煤中孔、大孔發育，微裂隙相對較寬，延伸距離遠，但發育密度低，且孔、裂隙中均有不同程度的礦物充填，造成孔隙系統的連通性降低。

3）趙莊3 號煤層黏土礦物為銨伊利石/蒙皂石間層，水敏性強。因此，趙莊3 號煤層雖然具有孔隙直徑大，分布密集，微裂隙寬度大，延伸遠等優勢。但由于儲層所含黏土礦物的水敏性強，礦物膨脹易堵塞原始孔隙與裂隙系統，導致改造后儲層滲透率下降明顯，反而造成煤層氣產能差，難以取得理想的改造增透效果。

4）在趙莊3 號或與之具有相似特性的松軟低滲煤層中進行煤層氣開發或改造中，要對壓裂增透層位進行優選，避開局部構造煤發育的軟分層，可嘗試頂、底板虛擬儲層作為改造層。在壓裂增透介質的選擇上，盡量選擇低水敏性的介質，可嘗試液氮、二氧化碳等介質進行改造。